KR102610326B1 - 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 이를 이용한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법 - Google Patents
내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 이를 이용한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 폴리아미드이미드(palyamide imide) 15 내지 21 중량%,몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide) 7 내지 11중량%, 그라파이트(graphite) 13 내지 17 중량%, 실란 커플링제(Si coupling agent) 0.5 내지 1.5 중량% 및 용매로 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone) 54 내지 60 중량%를 포함하여 친환경이고 고내구성의 특성을 갖는 내연기관용 피스톤 스커트부 조성물 및 이를 이용한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에 관한 것으로, 친환경이고 고내구성의 특성을 갖는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 이를 이용한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량 내연기관의 엔진을 구성하는 부품은 엔진 전체의 골격과 외곽을 형성하는 실린더 블록, 실린더 헤드, 실린더 커버, 흡배기 매니폴트 및 엔진 베어링 등의 정지부품과, 피스톤, 크랭크 기구, 캠 축, 흡배기 밸브 기구 등의 운동부품이 포함되어 있다.
이 중에서 도 1에 도시된 바와 같이, 피스톤(100)은 원통형으로 도시되어 있으며, 피스톤 헤드(piston head, 10), 링 랜드(ring land, 20) 및 스커트부(skirt section, 30) 등으로 구성되어 있다. 이처럼 구성된 피스톤은 실린더 내에서 고온, 30 내지 40kg/cm2 정도의 고압의 가스압력을 받아 고속의 왕복운동을 하며 커넥트 로드를 통해 크랭크 축에 회전력을 발생시키는 일을 하여 성능을 크게 좌우하는 엔진의 주요 부품으로 피스톤의 구조, 형상 및 재질까지 최적화된 설계를 요구하는 부품이다.
특히 피스톤 아랫부분이 되는 스커트부(30)는 피스톤이 운동할 때 실린더 내벽과 필연적으로 접촉하게 되어 지속적으로 측압(thrust)을 받으며, 이러한 피스톤 스커트부의 마찰면에 코팅된 코팅막(40)은 마찰손실에 의한 연비성능 악화, 내마모성 부족에 따른 피스톤 스커핑(piston scuffing) 발생하는 것을 방지하고자 양호한 내마모성, 낮은 마찰계수를 발휘함으로써 내연기관 엔진의 고회전, 저연비, 저소음 등의 효과를 갖는 다양한 코팅제가 개발되어 적용하고 있다.
통상적으로 종래에 피스톤 스커트부의 마찰저감 및 내마모성 등의 향상을 위해 코팅 조성물에서는 화학적으로 안정하고, 내열성이 우수한 유기용매로 N-메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)를 사용하였으나, 이 N-메틸피롤리돈(NMP)는 임산부 및 가임기 여성에 심각한 영향을 끼치는 독성의 유기용매로서 유럽에서는 N-메틸피롤리돈(NMP) 0.3% 이상인 혼합물 시장 출시를 금지하는 등 환경 규제 대상물질로써 대두되고 있다. 따라서 이를 대신한 친환경성의 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 내연기관에서 피스톤 스커트부의 마찰저감 및 내마모성 향상을 위해 종래 코팅 조성물에서 사용되었던 용매로 N-메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)을 대체하여 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone)를 사용함으로써 친환경인 특성을 갖으며, 또한, 엔진 출력 향상, 엔진 오일 저점도화, 소음 저감을 위한 피스톤과 라이너 간극 축소 등으로 인해 피스톤 스커트부의 마찰 및 마모 가혹도가 증가 되므로 마찰이 저감되고 내마모성이 향상된 고내구성의 특성을 갖는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 이를 이용한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은, 바인더로 폴리아미드이미드(palyamide imide), 고체 윤활제로 몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide, MoS2)와 그라파이트(graphite), 실란 커플링제(Si coupling agent) 및 용매로 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone)를 포함하며, 보다 상세하게는 폴리아미드이미드(palyamide imide) 15 내지 21 중량%, 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 7 내지 11 중량%, 그라파이트(graphite) 13 내지 17 중량%, 실란 커플링제(Si coupling agent) 0.5 내지 1.5 중량%, 및 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone) 54 내지 60 중량%을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바인더인 폴리아미드이미드의 함량이 상기 제시된 범위를 벗어나 15 중량% 미만이면, 고체 윤활제로 첨가되는 몰리브덴 디설파이드를 피코팅물 표면에 고정시키는 역할을 충분히 하지 못해 고체 윤활제인 몰디브덴 디설파이드가 내연기관 피스톤 스커트부에서 코팅이 탈락이 발생할 수 있는 문제가 있으며, 반대로 폴라아미드이미드가 21 중량%를 초과하면 마찰계수가 증가되어 마찰 특성이 악화되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 몰리브덴 디설파이드(MoS2)의 함량이 7 중량% 미만이면, 고체 윤활제의 함량이 적어지는 것이므로 마찰 특성이 악화되는 문제가 있고, 이와 반대로 몰리브덴 디설파이드(MoS2)의 함량이 11 중량%를 초과하면 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 피코팅물인 피스톤 스커트부 모재의 계면에서 밀착력이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
그리고 상기 몰리브덴 디설파이드는 전체 몰리브덴 디설파이드에서 입자의 크기가 2㎛ 이상이 10 부피% 미만으로 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 만약 몰리브덴 디설파이드의 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것이 10 부피% 이상으로 포함하면, 몰리브덴 디설파이드의 입자의 크기가 전체적으로 커지면서 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 표면 분산성이 줄어 마찰 특성이 악화되는 문제가 발생한다.
본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 고체 윤활제로 상기 몰리브덴 디설파이드(MoS2)와 함께 첨가하는 상기 그라파이트는 13 중량% 미만이면 마찰 특성이 악화되는 문제가 있고, 그라파이트가 17 중량%를 초과하면 그라파이트 함량이 많아 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 점도가 30,000 cps 미만으로 최적의 코팅 두께인 5㎛ 내지 15㎛를 유지 못한다.
본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에 포함되는 상기 실란 커플링제(Si coupling agent)는 Si 원자를 중심으로 한쪽은 유기관능기, 다른 한쪽은 무기관능기가 결합된 형태의 화학물질로서, 유기관능기는 바인더인 폴리아미드이미드에 결합하고 무기관능기는 고체 윤활제인 몰리브덴 디설파이드(MoS2)와 같은 무기물과 결합하여 조성물 내에 분산성을 향상시키는 작용과 결합구조를 강화시켜 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅층의 내마모성을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같은 실란 커플링제로는 에폭시(Epoxy)계 실란 및 아미노(Amino)계 실란을 바람직하게 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 실란 커플링제를 사용할 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 점도가 30,000 내지 40,000 cps인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위해서 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 폴리아미드이미드(palyamide imide) 15 내지 21 중량%, 몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide) 7 내지 11중량%, 그라파이트(graphite) 13 내지 17 중량%, 실란 커플링제(Si coupling agent) 0.5 내지 1.5 중량%, 및 용매로 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone) 54 내지 60 중량%를 포함하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 준비하는 단계(S100), 및 내연기관의 피스톤 스커트부 표면에 상기 준비된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포하여 코팅층을 형성하는 단계(S200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 코팅층을 형성하는 단계(S200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 피코팅물인 내연기관의 피스톤을 예열하는 예열 단계(S210), 상기 예열된 내연기관의 피스톤에서 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포하는 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계(S220), 및 도포된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
상기 예열단계(S210)는, 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 도포되기 전에 상기 피코팅물인 내연기관의 피스톤을 50 내지 70℃로 예열할 수 있다.
만약 피코팅물인 내연기관의 피스톤의 예열온도가 50℃ 미만이면 이후, 코팅 조성물을 경화하여 경화된 코팅층에 기포가 발생하고, 반대로 예열온도가 70℃ 초과 온도에서는 기포 발생이 없으나 불가피한 가열에 따르는 에너지 비용의 증가하므로 70℃ 이하 온도가 바람직하다.
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계(S220)는, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅 및 오프셋 프린팅 중 에서 선택되는 어느 하나를 통해 수행될 수 있으며, 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 방법으로 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계가 스크린 프린팅 방법으로 수행되는 경우, 50 메쉬(mesh) 내지 300 메쉬(mesh)를 갖는 스크린 메쉬(screen mesh)을 이용하여 상기 예열된 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포할 수 있고, 바람직하게는 100 메쉬(mesh) 초과 300 메쉬(mesh) 이하의 스크린 메쉬(screen mesh)를 갖는 스크린 메쉬(screen mesh)를 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 100 메쉬(mesh) 초과 250 메쉬(mesh)이하의 스크린 메쉬를 사용할 수 있다.
만약 상기 스크린 메쉬가 50 메쉬(mesh) 이하이면 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 두께가 요구되는 최적의 코팅 두께인 5㎛ 내지 15㎛에 미달되고, 300 메쉬(mesh) 초과 시에는 코팅 조성물의 코팅이 불가하다.
또한, 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계는, 상기 예열된 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 두께 5 내지 15㎛로 도포하는 것이 바람직하다.
상기 코팅층을 형성하는 단계는, 도포된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 온도 200 내지 220℃에서 20 내지 50분 동안 경화시켜 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 경화할 수 있다.
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 200℃ 미만의 온도에서 경화시키면 낮은 온도로 인해 바인더인 폴리아미드이미드(palyamide imide)의 미경화가 발생할 수 있으며, 반대로 220℃를 초과하는 온도에서는 더 높은 온도여도 220℃에서의 경화도와 동일하므로 불가피한 가열에 따르는 에너지 비용의 증가하므로 220℃ 이하 온도로 경화하는 것이 바람직하다.
상기 내연기관용 피스톤 스터트부 코팅 조성물에서 상기 몰리브덴 디설파이드는 전체 몰리브덴 디설파이드에서 입자의 크기가 2㎛ 이상이 10 부피% 미만으로 포함된 것을 사용할 수 있다.
또한, 도포되는 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 점도가 30,000 내지 40,000 cps일 수 있으며, 보다 바람직하게는 점도가 35,000 cps일 수 있다.
만약 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 상기 제시된 점도 범위를 벗어나면, 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 최적의 코팅 두께인 5㎛ 내지 15㎛를 유지 못하므로 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 제시된 점도 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 기계적 물성 및 효과는 이하에서 살펴볼 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 물질안전보건 규제에 대응하여 종래 코팅 조성물에서 사용되었던 용매로 N-메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)을 대체하여 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone)를 사용함으로써 친환경적으로 작업자 및 사용자의 안전과 건강을 보호할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 최근 자동차 구동 환경에서 내연기관의 피스톤 스커트부의 마찰 및 마모 가혹화에 따른 피스톤 스커트부의 코팅의 마찰 저감 및 마모 특성 강화를 동시에 만족할 수 있다.
또한 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 이용한 코팅 방법을 통해 피스톤 스커트부에 코팅되는 코팅층의 기포의 생성을 억제하여 피스톤 스커트부와 코팅층 사이의 밀착력을 향상시킴으로써 코팅층의 박리 등의 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 내연기관의 엔진시스템에서 피스톤의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 방법에서 내연기관의 피스톤 스커트부 표면에 코팅층을 형성하는 단계의 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물로 코팅된 피스톤 스커트부의 코팅층에서 관찰한 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 모습이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물로 코팅된 피스톤 스커트부의 코팅층에서 관찰한 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 모습이다.
도 6은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 점도를 비교한 그래프이다.
도 7은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 코팅 공정 조건에 따른 코팅층 형성 결과를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따른 마찰특성을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 내마모성 평가 전 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편의 모습이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 내마모성 평가 후 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편의 모습이다.
도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b는 실제 피스톤의 스커트부에 각각 비교예 1 및 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 적용된 샘플에서 마모 프로파일을 비교 평가한 결과이다.
도 14는 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 대비 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 마찰율을 비교한 결과이다.
도 15는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16은 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 접촉각을 비교한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 방법에 대한 개략적인 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 방법에서 내연기관의 피스톤 스커트부 표면에 코팅층을 형성하는 단계의 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 비교예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물로 코팅된 피스톤 스커트부의 코팅층에서 관찰한 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 모습이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물로 코팅된 피스톤 스커트부의 코팅층에서 관찰한 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 모습이다.
도 6은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 점도를 비교한 그래프이다.
도 7은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 코팅 공정 조건에 따른 코팅층 형성 결과를 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따른 마찰특성을 나타낸 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 각각 내마모성 평가 전 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편의 모습이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 내마모성 평가 후 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편의 모습이다.
도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b는 실제 피스톤의 스커트부에 각각 비교예 1 및 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 적용된 샘플에서 마모 프로파일을 비교 평가한 결과이다.
도 14는 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 대비 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 마찰율을 비교한 결과이다.
도 15는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16은 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 및 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 접촉각을 비교한 결과이다.
이하, 실시 예 및 비교 예를 이용하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시 예 및 비교 예는 발명을 위한 조성물의 한 예시일 뿐이며 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 비교예에 한정되지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다”, “포함한다” 또는 “첨가된다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들은 포함되지 않을 수도 있고, 또한 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
하기 표 1은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 조성 및 함량을 나타낸 것이다. 하기 표 1에서 'PAI'는 폴리아미드이미드(palyamide imide)이고, 'MoS2'는 몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide)이고, 'NMP'는 N-메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)이며, 'GBL'은 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone)를 나타낸다.
비교예 1은 용매로 N-메틸피롤리돈(NMP)를 사용한 경우이고, 비교예 2는 용매를 감마부티로락톤(GBL)을 사용한 것만 다르고 나머지 상기 비교예 1과 동일한 구성 함량으로 제조한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이다. 실시예 1은 용매에 있어서 N-메틸피롤리돈(NMP)를 사용하지 않고, 감마부티로락톤(GBL)을 사용하고, 조성물에 실란 커플링제를 더 포함하는 것이다.
그리고 비교예 1 및 비교예 2의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 고체 윤활제로 사용하는 몰리브덴 디설파이드(MoS2)는 도 4a 및 도 4b에서처럼, 전체 몰리브덴 디설파이드에서 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것이 30 부피% 이상으로 포함하는 것을 사용하고, 실시예 1은 도 5a 및 도 5b에서처럼 사용된 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자가 전체 몰리브덴 디설파이드에서 2㎛ 이상인 것이 10 부피% 미만으로 포함하는 것을 사용하였다.
| 구성 | 비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | |
| PAI(wt%) | 19 | 19 | 18 | |
| MoS2(wt%) | 9 | 9 | 9 | |
| 그라파이트(wt%) | 20 | 20 | 15 | |
| 실란 커플링제(wt%) | - | - | 1 | |
| 용매 | NMP(wt%) | 52 | - | - |
| GBL(wt%) | 52 | 57 | ||
도 6은 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물과 실시예 1에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 점도를 비교한 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 용매만 N-메틸피롤리돈(NMP)에서 감마부티로락톤(GBL)로 변경한 비교예 2의 경우에는 점도가 40,000 cps 이상으로 나타났으며, 이는 코팅 조성물을 피코팅물 표면에 코팅하는 공정 시, 높은 점도로 인해 코팅 공정이 불가능한 문제가 발생한다.
그러나 비교예 2보다 용매인 감마부티로락톤(GBL)의 함량을 57wt%로 더 첨가하고 고체 윤활제 중 하나인 그라파이트의 함량이 15wt%로 비교예 1과 비교예 2에서의 그라파이트 함량보다 25% 정도 줄인 실시예 1의 코팅 조성물의 경우에는 점도는 35,000 cps로 피코팅물인 피스톤 스커트부 표면에 코팅시 코팅층의 두께가 10㎛ 정도로 피스톤 스커트부 코팅층의 최적의 두께인 5㎛ 내지 15㎛를 만족한다.
내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 피코팅물인 내연기관의 피스톤에 코팅하는 공정 조건에 따른 특성을 알아보고자, 하기 표 2와 같이 상기 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 피코팅물인 내연기관의 피스톤에 코팅하는 공정 조건에 따라 형성된 코팅층의 모습을 육안으로 관찰하였으며, 여기서 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 방법으로는 스크린 프린팅 방법으로 수행하였다.
| 구성 | 비교예 3 | 비교예 4 | 비교예5 | 비교예 6 | 실시예2 | 실시예 3 |
| 메쉬(mesh) 크기 | 100 | 100 | 250 | 250 | 250 | 250 |
| 피스톤 예열온도(℃) | 예열 없음 | 60 | 예열 없음 | 예열 없음 | 60 | 60 |
| 경화온도(℃) | 195 | 195 | 195 | 210 | 195 | 210 |
| 기포생성 유무 | ○ | ○ | ○ | ○ | × | × |
도 7은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 코팅 공정 조건에 따른 코팅층 형성 결과를 나타낸 것으로, 상기 표 2 및 도 7에서처럼, 피코팅물인 내연기관의 피스톤을 예열하지 않을 경우인 비교예 3, 비교예 5 및 비교예 6에서 형성된 코팅층 표면에 기포가 생성되며, 60℃ 온도로 피스톤을 예열하는 경우인 실시예 2 및 실시예 3에서는 기포가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 아울러 스크린 메쉬의 메쉬(mesh) 크기가 100 메쉬(mesh)로 도포한 비교예 4의 경우, 60℃ 온도로 피스톤을 예열하여도 기포가 생성됨을 확인할 수 있었다.
본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 마모 및 마찰 특성을 알아보고자, 왕복동마찰마모시험기를 이용하여 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅되어 코팅층이 형성된 피스톤 스커트부 시험 시편를 대기중 무윤활 조건하에서, 하중 100N, 속도 2.5Hz로 왕복직선운동하여 마모 및 마찰 특성 평가를 수행하였으며, 마모 평가 전과 마모 평가 후에 대한 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅되어 코팅층이 형성된 피스톤 스커트부 모재의 단면을 도 8에서와 같이 광학 현미경, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 및 에너지분산 x선 분광분석기(energy dispersive x-ray spectroscopy, EDS)로 관찰하였고, 도 9는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따라 왕복운동회수 8,000회까지의 마찰 계수를 나타낸 그래프이다.
시험 결과 마찰계수는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자가 2㎛ 초과하여 5㎛와 30㎛ 입자 크기를 갖는 몰리브덴 디설파이드(MoS2)를 사용한 경우 보다 입자 크기가 2㎛인 몰리브덴 디설파이드(MoS2)를 사용한 경우에서 낮은 마찰계수를 나타나는데, 이는 고체 윤활제인 몰리브덴 디설파이드(MoS2)의 입자 크기를 2㎛ 이하로 줄임으로써 바인더와 접촉하는 표면적을 크게하고, 표면 분산성을 향상됨으로써 피스톤 스커트부에 가해지는 하중 지지력이 향상되고 이로 인해 마찰계수가 저감됨을 확인할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 마모성 평가 전 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(비교예 1) 이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(실시예 1)이 코팅된 시편의 모습이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 마모성 평가 후 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(비교예 1) 이 코팅된 시편 및 본원발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(실시예 1)이 코팅된 시편의 모습이다.
도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b는 실제 피스톤의 스커트부에 각각 비교예 1 및 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 적용된 샘플에서 마모 프로파일을 비교 평가한 결과이다.
구체적으로 도 12a와 도 12b는 왕복동마찰마모시험기를 이용한 왕복 직선 마모 및 마찰 시험 후의 피스톤 스커트부 표면을 관찰한 현미경 이미지로, 이미지에서 검은색으로 보이는 면은 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 부위이고, 회색으로 보이는 부분은 코팅이 마모되어 보이는 피스톤 모재의 모습이다.
상기 도 12a와 도 12b의 이미지들을 3차원 현미경(confocal microscope)으로 측정하여 마모 프로파일을 분석하게 되면 도 13a와 도 13에서의 높낮이 차이가 나타나는 표면의 형상을 관찰할 수 있으며, 이는 마모 및 마찰 시험 전과 후의 며찰면을 관찰하여 동일 위치에서 높낮이 차의 프로파일 변화를 비교함으로써 코팅층의 마모된 정도를 확인하였다.
따라서, 상기 도 10a, 도10b, 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12b, 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(비교예 1)이 코팅된 피스톤 스커트부 시편과, 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(실시예 1)이 적용된 시편의 마모성을 비교할 경우 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 코팅된 시편에 대한 마모량 100% 기준으로, 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물의 마모량은 35% 정도 수준으로 감소하는 바, 이는 내마모성이 65% 정도 향상됨을 알 수 있다.
도 14는 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(비교예 1)이 적용된 시편 대비 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(실시예 1)이 적용된 시편의 마찰율을 비교한 결과이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 적용된 시편 마찰율을 100% 기준으로, 실시예 1의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물이 적용된 시편의 마찰율은 93.5%으로 약 6.5% 정도의 마찰 저감을 확인할 수 있었다.
그리고 도 15는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 고체 윤활제로 포함되는 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 그래프로, 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자 크기가 작을수록 마찰면에 고른 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 분포로 인해 마찰 계수는 작아지는 바, 마찰저감 효과가 있음을 알 수 있고, 특히 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자는 2㎛ 이하에서 마찰저감이 효과적임을 알 수 있다.
도 16은 종래 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(비교예 1) 및 본 발명의 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물(실시예 1)의 접촉각을 비교한 결과이다.
도 16에 도시된 결과처럼, 실시예 1에 따른 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 비교예 1보다 가솔린엔진오일과 승용디젤엔진오일에 대한 접촉각이 감소됨을 확인할 수 있다. 이는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물에서 고체 윤활제인 몰리브덴 디설파이드(MoS2) 입자의 크기가 감소되고 그라파이트 함량의 저감을 통한 표면에너지 변화로 인해 오일 접촉각이 감소되고, 이러한 오일 접촉각 감소는 형성된 피스톤 스커트부 코팅층의 오일 젖음성 향상으로 윤활막 유지가 가능하고 이로 인해 피스톤 스커트부의 마찰 저감효과가 있음을 알 수 있다
10 : 피스톤 헤드
20 : 링 랜드
30 : 스커트부
100 : 피스톤
20 : 링 랜드
30 : 스커트부
100 : 피스톤
Claims (12)
- 폴리아미드이미드(palyamide imide) 15 내지 21 중량%;
몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide) 7 내지 11중량%;
그라파이트(graphite) 13 내지 17 중량%;
실란 커플링제(Si coupling agent) 0.5 내지 1.5 중량%; 및
용매로 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone) 54 내지 60 중량%;를 포함하되,
상기 몰리브덴 디설파이드는 전체 몰리브덴 디설파이드에서 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 10 부피% 미만으로 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 점도가 30,000 내지 40,000 cps인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물. - 폴리아미드이미드(palyamide imide) 15 내지 21 중량%, 전체 몰리브덴 디설파이드에서 입자의 크기가 2㎛ 이상인 것을 10 부피% 미만으로 포함하는 몰리브덴 디설파이드(molybdenum disulfide) 7 내지 11중량%, 그라파이트(graphite) 13 내지 17 중량%, 실란 커플링제(Si coupling agent) 0.5 내지 1.5 중량%, 및 용매로 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone) 54 내지 60 중량%를 포함하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 준비하는 단계; 및
내연기관의 피스톤 스커트부 표면에 상기 준비된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 코팅층을 형성하는 단계는,
피코팅물인 내연기관의 피스톤을 50 내지 70℃로 예열하는 예열 단계;
상기 예열된 내연기관의 피스톤에서 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포하는 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계; 및
도포된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 경화하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법. - 삭제
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계는 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비아 프린팅 및 오프셋 프린팅 중 에서 선택되는 어느 하나의 방법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법. - 제7항에 있어서,
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계가 스크린 프린팅 방법으로 수행되는 경우,
50 메쉬(mesh) 내지 300 메쉬(mesh)를 갖는 스크린 메쉬(screen mesh)을 이용하여 상기 예열된 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 도포하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물 도포 단계는,
상기 예열된 피스톤 스커트부의 표면에 상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 두께 5㎛ 내지 15㎛로 도포하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법. - 제4항에 있어서,
상기 코팅층을 형성하는 단계는,
도포된 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물을 온도 200℃ 내지 220℃에서 20분 내지 60분 동안 건조시켜 경화하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법. - 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 조성물은 점도가 30,000 내지 40,000 cps인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 스커트부 코팅 방법.
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